JPH02214150A - Method of designing input protective circuit for semiconductor device and input protective circuit - Google Patents

Method of designing input protective circuit for semiconductor device and input protective circuit

Info

Publication number
JPH02214150A
JPH02214150A JP3369789A JP3369789A JPH02214150A JP H02214150 A JPH02214150 A JP H02214150A JP 3369789 A JP3369789 A JP 3369789A JP 3369789 A JP3369789 A JP 3369789A JP H02214150 A JPH02214150 A JP H02214150A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
input
diode
circuit
protection circuit
thin film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP3369789A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takashi Mihara
孝士 三原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Olympus Optical Co Ltd filed Critical Olympus Optical Co Ltd
Priority to JP3369789A priority Critical patent/JPH02214150A/en
Publication of JPH02214150A publication Critical patent/JPH02214150A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Abstract

PURPOSE:To properly and easily set a circuit constant of an input protective circuit in a semiconductor device provided with a required protective voltage and a required input delay-time characteristic by a method wherein an electrical transient analysis and a thermal analysis regarding a polysilicon resistance and a diode are executed at the same time. CONSTITUTION:A protective characteristic such as a required protective voltage, a required input delay time or the like and a process limitation condition of a thin-film resistance are set; a resistance value of the thin-film resistance is set on the basis of an input capacity and the input delay time of a whole input protective circuit. Then, an area, a width and a length of the thin-film resistance are set on the basis of a temperature rise characteristic of the thin-film resistance obtained by solving a heating conduction equation on the basis of a transient analysis of a thermal energy applied to the thin-film resistance; a parasitic series resistance value of a diode and a diode voltage are set on the basis of a breakdown voltage of an internal circuit to be protected. A diode area is set on the basis of an electric-power density applied to the diode and of a failure temperature. Thereby, it is possible to design an input protective circuit provided with a required protective characteristic.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、半導体装置の入力保護回路の設計方法及び
その設計方法により作成された入力保護回路に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a method for designing an input protection circuit for a semiconductor device and an input protection circuit created by the design method.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、IC,LSI等の半導体装置においては、静電気
などにより負荷される過大入力から内部回路を保護する
ため、入力保護回路が用いられており、かかる入力保護
回路を構成する入力保護素子は、MOS、 バイポーラ
、バイポーラ・CMOSデバイス等と共に半導体装置の
信頼性を保証するための重要な機能素子となっている。
Conventionally, in semiconductor devices such as ICs and LSIs, input protection circuits have been used to protect internal circuits from excessive inputs loaded by static electricity, etc. The input protection elements that make up such input protection circuits are MOS , bipolar, bipolar/CMOS devices, etc. have become important functional elements for guaranteeing the reliability of semiconductor devices.

入力保護回路としては、種々の回路構成のものが実用化
されているが、特に最近では、「重要性を増す静電破壊
への対策J (Dave Hughes、日経マイクロ
デバイス 1986年11月、第131頁)、rM。
Various circuit configurations have been put into practical use as input protection circuits, but in particular recently, ``Measures against electrostatic damage that are becoming increasingly important'' (Dave Hughes, Nikkei Microdevices, November 1986, No. 131) p.), rM.

Sデバイス静電破壊評価方法」 (福田保裕他、信学誌
 R83−33)などの論文に紹介されているように、
ポリシリコン層で形成した入力保護抵抗と保護ダイオー
ドを用いることが一般的となってきている。
As introduced in papers such as "S Device Electrostatic Damage Evaluation Method" (Yasuhiro Fukuda et al., IEICE Journal R83-33),
It has become common to use input protection resistors and protection diodes formed from polysilicon layers.

更に具体的な公知技術としては、特開昭53−7667
9号においては、基板上に形成した薄膜抵抗及び基板中
に形成したダイオードとで保護回路を構成し、過大入力
電圧に対して極めて抑制された電流が流れるようにして
ダイオード及び内部回路を保護するようにしたものが提
案されている。
As a more specific known technique, Japanese Patent Application Laid-Open No. 53-7667
In No. 9, a protection circuit is constructed with a thin film resistor formed on the substrate and a diode formed in the substrate, and the diode and internal circuit are protected by extremely suppressed current flowing against excessive input voltage. Something like this has been proposed.

また特開昭56−2664号には、直線形状のポリシリ
コン抵抗を用い、屈曲部における局部加熱によるポリシ
リコン抵抗の溶断を防止するようにした保護回路が提案
されている。更にはまた、特開昭57−24563号及
び特開昭57−153461号には、屈曲部分に金属を
配置したり、屈曲部分を低抵抗部としたポリシリコン抵
抗を用いた保護回路や、また特開昭59−105369
号には、幅と長さの比を6としたポリシリコン抵抗を用
いた保護回路などが提案されている。
Further, Japanese Patent Laid-Open No. 56-2664 proposes a protection circuit that uses a linear polysilicon resistor to prevent the polysilicon resistor from melting due to local heating at a bent portion. Furthermore, JP-A-57-24563 and JP-A-57-153461 disclose protection circuits using polysilicon resistors in which metal is placed in the bent portions, and the bent portions are used as low-resistance portions. Japanese Patent Publication No. 59-105369
The issue proposes a protection circuit using polysilicon resistors with a width-to-length ratio of 6.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

しかしながら、従来の公知技術を単に利用して、ポリシ
リコン抵抗とダイオードとで入力保護回路を形成した場
合には、入力保護抵抗として使用したポリシリコン抵抗
が容易に熱破壊してしまうことが判明した。すなわち過
大入力から内部回路を完全に保護するには、人体等に蓄
えられたマイクロジュール(μJ)オーダーの静電エネ
ルギーを、ポリシリコン抵抗やダイオードにおいて熱エ
ネルギーの形で瞬時に放散する必要があることが判明し
た。したがって入力保護回路に用いる適切なポリシリコ
ン抵抗や保護ダイオードは、電気的過渡解析と熱解析と
を用いて、これらのポリシリコン抵抗や保護ダイオード
の形状や大きさ、耐静電圧に関するマージン等を検討し
なければならない。
However, it has been found that when an input protection circuit is simply formed using a polysilicon resistor and a diode using conventional known technology, the polysilicon resistor used as the input protection resistor is easily destroyed by heat. . In other words, in order to completely protect the internal circuit from excessive input, it is necessary to instantly dissipate the microjoule (μJ) order electrostatic energy stored in the human body in the form of thermal energy in polysilicon resistors and diodes. It has been found. Therefore, appropriate polysilicon resistors and protection diodes to be used in input protection circuits are determined by using electrical transient analysis and thermal analysis to examine the shape and size of these polysilicon resistors and protection diodes, as well as margins regarding withstand voltage. Must.

しかし熱解析に関しては従来、Wunsch−Bell
モデルと称するダイオードに関する熱破壊モデル(Wu
nsch、 D、 C0and Be11. R,R,
’Determinationof Threshho
ld Failure 1evel of Sen+1
conductorDiode and Transi
stor Due to Pu1se Voltage
sIEEE Trans、 Nucl、  Sci ;
 N5−151968+  P244〜P256)があ
るだけであり、ポリシリコン抵抗の熱解析に関する提案
は未だなされておらず、不可能な状態である。
However, regarding thermal analysis, Wunsch-Bell
Thermal breakdown model for diodes (Wu
nsch, D, C0 and Be11. R, R,
'Determination of Threshho
ld Failure 1 level of Sen+1
conductor Diode and Transi
stor Due to Pulse Voltage
sIEEE Trans, Nucl, Sci;
N5-151968+ P244 to P256), and no proposal regarding thermal analysis of polysilicon resistance has been made yet, making it impossible.

したがって上記各公開公報等で提案されている手段も熱
解析は何ら考慮されておらず、いずれも概念的な方法や
経験的な手段によるもののみである。
Therefore, the methods proposed in the above-mentioned publications do not take any thermal analysis into consideration, and are only based on conceptual methods or empirical methods.

本発明は、従来の半導体装置の入力保護回路における上
記問題点を解決するためになされたもので、ポリシリコ
ン抵抗とダイオードに関する電気的過渡解析と熱解析を
同時に行うことによって、パラメータの設定されたポリ
シリコンとダイオードを備えた必要な保護特性をもつ入
力保護回路の設計方法及びその入力保護回路を提供する
ことを目的とする。
The present invention was made to solve the above-mentioned problems in conventional input protection circuits for semiconductor devices, and it is possible to set parameters by simultaneously performing electrical transient analysis and thermal analysis regarding polysilicon resistors and diodes. The object of the present invention is to provide a method for designing an input protection circuit that includes polysilicon and diodes and has necessary protection characteristics, and to provide the input protection circuit.

〔課題を解決するための手段及び作用〕上記問題点を解
決するため、本発明は、入力パッドに一端を接続した薄
膜抵抗と該薄膜抵抗の他端に接続したダイオードからな
るクランプ回路とを有する半導体装置の入力保護回路の
設計方法において、必要とする保護電圧、入力遅延時間
等の保護特性と、薄膜抵抗のプロセス制限条件を設定す
るステップと、入力保護回路全体の入力容量と入力遅延
時間とに基づいて薄膜抵抗の抵抗値を設定するステップ
と、薄膜抵抗に印加される熱エネルギーの過渡解析に基
づいて熱伝導方程式を解くことによって得られる薄膜抵
抗の温度上昇特性に基づいてFi膜抵抗の面積2幅及び
長さを設定するステップと、保護すべき内部回路の破壊
電圧に基づいてダイオードの寄生直列抵抗値及びダイオ
ード電圧を設定するステップと、ダイオードに印加され
る電力密度と故障温度に基づいてダイオード面積を設定
するステップとで入力保護回路を設計するものである。
[Means and effects for solving the problems] In order to solve the above problems, the present invention includes a clamp circuit consisting of a thin film resistor whose one end is connected to an input pad and a diode connected to the other end of the thin film resistor. In a method for designing an input protection circuit for a semiconductor device, there are steps for setting protection characteristics such as required protection voltage and input delay time, and process limit conditions for thin film resistors, and steps for setting the input capacitance and input delay time of the entire input protection circuit. The step of setting the resistance value of the thin film resistor based on A step of setting the area 2 width and length, a step of setting the diode parasitic series resistance value and the diode voltage based on the breakdown voltage of the internal circuit to be protected, and a step based on the power density applied to the diode and the failure temperature. The input protection circuit is designed by the step of setting the diode area.

このようにして設計することにより、必要とする保護電
圧、入力遅延時間特性をもつ半導体装置における入力保
護回路の回路定数を適切且つ容易に設定することができ
る。
By designing in this way, it is possible to appropriately and easily set the circuit constants of the input protection circuit in a semiconductor device having the required protection voltage and input delay time characteristics.

また本発明は、膜厚が0.8〜1.0μmの下地酸化膜
上に形成した膜厚が0.3〜0.5μmで面抵抗が30
〜100Ω/□のP型又はN型不純物をドープしたポリ
シリコン抵抗を用い、前記半導体装置の入力保護回路の
設計方法に基づき、抵抗値を400Ω〜lKΩ、幅を1
5〜30μm、面積を10000 p m ”以上とし
た薄膜抵抗と、電源の高電位側との間に30Ω以下の寄
生直列抵抗を有しダイオード面積を10 X 10μm
以上としたP型ダイオードを接続し、電源の低電位側と
の間に30Ω以下の寄生直列抵抗を有しダイオード面積
をlO×10μm以上としたN型ダイオードを接続して
、入力から見たインピーダンスの対称性をもたせたクラ
ンプ回路とで半導体装置の入力保護回路を構成するもの
である。
Further, in the present invention, a film having a thickness of 0.3 to 0.5 μm formed on a base oxide film having a film thickness of 0.8 to 1.0 μm has a sheet resistance of 30 μm.
A polysilicon resistor doped with P-type or N-type impurity of ~100Ω/□ is used, and the resistance value is set to 400Ω to 1KΩ and the width is set to 1KΩ based on the design method of the input protection circuit of the semiconductor device.
A thin film resistor with an area of 5 to 30 μm and an area of 10000 pm” or more, and a parasitic series resistance of 30 Ω or less between the high potential side of the power supply and a diode area of 10 x 10 μm
Connect the P-type diode described above and connect an N-type diode with a parasitic series resistance of 30Ω or less and a diode area of 1O x 10μm or more between it and the low potential side of the power supply to determine the impedance seen from the input. The input protection circuit of the semiconductor device is composed of the clamp circuit and the symmetrical clamp circuit.

このように構成することにより、入力遅延時間を0.5
ns以下とした300■の耐静電性をもつ入力保護回路
を容易に提供することができる。
With this configuration, the input delay time can be reduced to 0.5
An input protection circuit having an electrostatic resistance of 300 ns or less can be easily provided.

〔実施例〕〔Example〕

半導体装置の入力保護回路において、従来は、入力保護
抵抗として用いるポリシリコン抵抗の大きさや形状パラ
メータ、すなわち下地酸化膜厚。
In the input protection circuit of a semiconductor device, conventionally, the size and shape parameters of the polysilicon resistor used as the input protection resistor, that is, the base oxide film thickness.

ポリシリコンのシート抵抗、ポリシリコン抵抗のW/L
(幅と長さ)、ポリシリコン抵抗の抵抗値。
Polysilicon sheet resistance, polysilicon resistance W/L
(width and length), resistance value of polysilicon resistor.

並びに−緒に形成するダイオードの面積や寄生直列抵抗
を、直接的に適切に決定することはできず、そのため、
レイアウトの異なる様々な回路を試作し、これを評価す
ることによって、上記各保護素子の設計パラメータを決
定していた。しかしながらこのような方法によっては、
耐圧や入力遅延時間等の要求目的が変化した場合には対
応できなくなってしまう。
Furthermore, it is not possible to directly and appropriately determine the area and parasitic series resistance of the diode formed together.
The design parameters of each of the above-mentioned protection elements were determined by prototyping various circuits with different layouts and evaluating them. However, depending on this method,
If requirements such as withstand voltage and input delay time change, it will not be possible to respond.

本発明は、ポリシリコン抵抗とダイオードの電気的過渡
解析と熱解析を行うことにより、要求性能に対する各入
力保護素子の設計パラメータを与えるようにするもので
ある。まず最初に入力保護回路の電気的過渡解析につい
て述べる。
The present invention provides design parameters for each input protection element corresponding to required performance by performing electrical transient analysis and thermal analysis of polysilicon resistors and diodes. First, we will discuss electrical transient analysis of input protection circuits.

現在量も一般的に用いられている半導体装置の入力保護
回路を第1囚人に示す。図において、1は入力パッド、
2はポリシリコン抵抗、3.4はポリシリコン抵抗2の
出力側と電源端子vcC及びG−N 0間にそれぞれ接
続されたダイオード等からなるクランプ回路である。こ
の入力保護回路は、]μJ1程度の人体蓄積静電エネル
ギーを、ポリシリコン抵抗2とクランプ回路3.4のダ
イオードとで熱エネルギーに変換し、内部回路へはIO
V以下の電圧に抑えるようにするものである。この保護
回路はVcc、GNDに関して対称的であるので、等価
回路は第1図(B)に示すようになる。第1囚人。
The first prisoner is shown an input protection circuit for a semiconductor device that is currently in common use. In the figure, 1 is an input pad,
2 is a polysilicon resistor, and 3.4 is a clamp circuit consisting of a diode and the like connected between the output side of the polysilicon resistor 2 and the power supply terminals vcC and G-N0, respectively. This input protection circuit converts electrostatic energy accumulated in the human body of approximately μJ1 into thermal energy using the polysilicon resistor 2 and the diode of the clamp circuit 3.
This is to suppress the voltage to V or less. Since this protection circuit is symmetrical with respect to Vcc and GND, the equivalent circuit is as shown in FIG. 1(B). The first prisoner.

■)において、■、は等価人体電圧で200■程度であ
り、CPは等価人体容量で200PFであって、これら
の値はEIAJで定めたものに準じたものである。また
RPはポリシリコン抵抗2の抵抗値で、R8はダイオー
ドDの直列寄生抵抗である。
In (2), (2) is an equivalent human body voltage of about 200 ■, and CP is an equivalent human body capacitance of 200 PF, and these values are based on those determined by EIAJ. Further, RP is the resistance value of the polysilicon resistor 2, and R8 is the series parasitic resistance of the diode D.

この入力保護回路における電圧過渡応答は簡単に求まる
。すなわち1=0で入力パッド1に電圧voが印加され
た時のA点(入力パッド位置)及びB点(内部回路入力
位置)における応答は次式(1)で表される。
The voltage transient response in this input protection circuit is easily determined. That is, when 1=0 and voltage vo is applied to input pad 1, the response at point A (input pad position) and point B (internal circuit input position) is expressed by the following equation (1).

V s (t) −V。。−L/? R8 V、D)=V。       e−t/?十V。Vs(t)-V. . -L/? R8 V, D)=V.      e-t/? Ten V.

Rs+Rp τ= CP(Rs+ RP) ■D =ダイオード電圧 ・・・・・・(1) ここでポリシリコン抵抗Rpにかかる熱エネルギーをP
P(t)とし、ダイオードにかかる熱エネルギーをPD
(t)とすると、それぞれ次式(2)、 (3)%式% また入力保護回路の存在による入力信号の遅れτ。は、
次式(4)で表される。
Rs + Rp τ = CP (Rs + RP) ■D = diode voltage... (1) Here, the thermal energy applied to the polysilicon resistor Rp is P
P(t) and the thermal energy applied to the diode is PD
(t), the following formulas (2) and (3)% Formula% Also, the delay τ of the input signal due to the presence of the input protection circuit. teeth,
It is expressed by the following formula (4).

τ。−Σ(Cjn + CPoL ysi + Cp−
a)・RP・・・・・・(4) ここで、C,Iはダイオードの接合容量、CPoLy3
iはポリシリコン抵抗の容量、C2,4は入力パッドの
容量である。
τ. −Σ(Cjn + CPoL ysi + Cp−
a)・RP・・・・・・(4) Here, C and I are the junction capacitance of the diode, CPoLy3
i is the capacitance of the polysilicon resistor, and C2 and C4 are the capacitances of the input pads.

次にポリシリコン抵抗の熱解析について説明する。Next, thermal analysis of polysilicon resistance will be explained.

第1図(0にポリシリコン抵抗2の構造を示す。FIG. 1 (0) shows the structure of a polysilicon resistor 2.

ポリシリコン抵抗2は、シリコン基板11上に形成した
比較的厚い(厚さd)Stow膜12を介して幅W。
The polysilicon resistor 2 has a width W through a relatively thick (thickness d) Stow film 12 formed on a silicon substrate 11.

長さし、厚さtで形成されている。このポリシリコン抵
抗2は数μJの熱エネルギーにより容易に融点まで達し
溶融する。このためポリシリコン抵抗の温度上昇の熱解
析が必要となる。ポリシリコン抵抗2の温度をTとし、
次の(5)式で示す熱伝導の基礎方程式を、第1図(C
)の構成に適用して、ガウスの法則を用いると(6)式
が得られる。
It is formed to have a length and a thickness t. This polysilicon resistor 2 easily reaches its melting point and is melted by several μJ of thermal energy. Therefore, thermal analysis of the temperature rise of the polysilicon resistor is required. Let T be the temperature of polysilicon resistor 2,
The basic equation of heat conduction shown by the following equation (5) is shown in Figure 1 (C
) and using Gauss's law, equation (6) is obtained.

=q(r、  t) ・・・・・・(5) ρ ・ C・■2・ d k’Ar τ  −Cr(Rr+Rs) 印    τ     τべ ・・・・・・(6) ここで、ρは密度、Cは比熱、■、はポリシリコン抵抗
の体積、kは5ift膜の熱伝導係数、APはポリシリ
コン抵抗の面積、Qはジュール熱である。
=q(r, t) ・・・・・・(5) ρ・C・■2・d k'Ar τ −Cr(Rr+Rs) Mark τ τbe・・・・・・(6) Here, ρ is the density, C is the specific heat, ■ is the volume of the polysilicon resistor, k is the thermal conductivity coefficient of the 5ift film, AP is the area of the polysilicon resistor, and Q is Joule heat.

上記(6)式で示す方程式は、線形−階微分方程式なの
で解析的に解くことができ、次の(7)式で示す解が得
られる。
The equation shown by the above equation (6) is a linear-order differential equation and can be solved analytically, and the solution shown by the following equation (7) is obtained.

T(t)=Toe−”’(1e−””4)・−・−・・
(7)・・・・・・(8) 上記(7)式は、ある条件の下で、ポリシリコン抵抗の
温度の時間依存性を示している。この(7)式は2つの
時定数τ〆 とてρ の指数曲線(exponen t
ia 1curνe)の積になっており、第1項は放熱
項、第2項は発熱項である。この(7)式から最大到達
温度T。
T(t)=Toe-"'(1e-""4)・-・-・・
(7)...(8) Equation (7) above shows the time dependence of the temperature of polysilicon resistance under certain conditions. This equation (7) is an exponential curve of two time constants τ〆 and ρ.
ia 1curνe), the first term is a heat radiation term, and the second term is a heat generation term. From this equation (7), the maximum temperature T can be determined.

と最大温度到達時間も、は微分値を0におくことにより
得られ、それぞれ次の(9)式及び00)弐で与えられ
る。
and the time to reach the maximum temperature are also obtained by setting the differential value to 0, and are given by the following equations (9) and 00)2, respectively.

ts=T、a [4!n(1/Tg+1/rp)−1n
 1/rml・・・・・・(9) T、=Tael−”’τ〆(1−e−”1rp)   
、・・−GO)最大到達温度T、は、ポリシリコン抵抗
の再結晶化温度以下でなければいけないので、最大値は
1000°Cと見ればよい。この最大到達温度T1は、
R,、V。等の外部要因と、W、ρ、(面抵抗)、L。
ts=T, a [4! n(1/Tg+1/rp)-1n
1/rml...(9) T,=Tael-"'τ〆(1-e-"1rp)
,...-GO) The maximum temperature T, must be lower than the recrystallization temperature of the polysilicon resistor, so the maximum value can be considered to be 1000°C. This maximum temperature T1 is
R,,V. external factors such as W, ρ, (sheet resistance), and L.

t、d等の形状パラメータの関数として位置づけ設計す
る必要がある。
It is necessary to position and design as a function of shape parameters such as t and d.

第2図^、田)にポリシリコン抵抗の熱解析結果の一例
を示す。第2図^は、W=20.crmに固定し、Lを
可変として抵抗値R,を変化させたときの時間と温度T
(t)との関係を示す図である。なお、この解析は、V
O=300V、  CP=200PF 、  Rs=3
0Ωに設定して行ったもので、ポリシリコン抵抗の温度
T(t)は−旦最大温度に達し、その後放熱される状態
を表している。第2図G)は、同じくポリシリコン抵抗
の抵抗値R7を変化させたときの幅Wに対する最大到達
温度T、の関係を示す図である。
Figure 2 shows an example of thermal analysis results for polysilicon resistors. Figure 2 shows W=20. Time and temperature T when changing resistance value R, with crm fixed and L variable
It is a figure showing the relationship with (t). Note that this analysis
O=300V, CP=200PF, Rs=3
The temperature T(t) of the polysilicon resistor reached the maximum temperature -1 and then the heat was dissipated. FIG. 2G) is a diagram showing the relationship between the maximum temperature T and the width W when the resistance value R7 of the polysilicon resistor is changed.

次に保護ダイオードの熱破壊解析について説明する。Next, thermal breakdown analysis of protection diodes will be explained.

保護ダイオードの熱解析は、先に述べた従来からあるW
unsch−Bellのモデルを使用して行う、を秒間
のパルス電流による電力密度P/A、と故障温度T。と
の関係を、次の(11)式で表す、但し、A、はダイオ
ード面積、T、は室温である。
Thermal analysis of protection diodes is performed using the conventional W method mentioned earlier.
The unsch-Bell model is used to calculate the power density P/A due to the pulse current per second, and the failure temperature T. The relationship is expressed by the following equation (11), where A is the diode area and T is the room temperature.

W7A、−17777丁下で(T、o−Tt) t ”
”・・・・・・(11) ダイオードにかかる電力は、0〜mτまでの平均をとっ
て次式(11)で表される。
W7A, -17777th Street (T, o-Tt) t”
”...(11) The power applied to the diode is expressed by the following equation (11) by taking the average from 0 to mτ.

m            Rs ・・・・・・(12) 従来例から経験的にm=5で、実測によく合う。m Rs. ・・・・・・(12) Based on the conventional example, m=5 is empirically determined, which matches the actual measurements well.

またT1としては、接合面の強度、 Al−5iの界面
の均一性、 AlSiの析出状態から推測して活性領域
の1/10が融点に達していると考えて、電力密度P/
A、として1/10を使用して算出することが一般的で
ある。第3図は、Wunsch−BellO熱解析図で
、接合面の1 /10が融点に達する電力密度P+++
t/A、と時定数τとの関係を示している。
In addition, T1 is estimated from the strength of the bonding surface, the uniformity of the Al-5i interface, and the precipitation state of AlSi, and assuming that 1/10 of the active region has reached the melting point, the power density P/
It is common to calculate using 1/10 as A. Figure 3 is a Wunsch-BellO thermal analysis diagram, where the power density P+++ reaches the melting point at 1/10 of the bonding surface.
It shows the relationship between t/A and the time constant τ.

次に以上の各解析理論のもとに、本発明に係る入力保護
回路の設計手法を、第4図のフローチャートを参照しな
がら説明する。
Next, based on the above analysis theories, a design method for an input protection circuit according to the present invention will be explained with reference to the flowchart shown in FIG.

まず第1のステップにおいて、プロセスの制限条件(t
、d、  ρ3等の構造パラメータ)と満足すべき保護
特性(V@、CP、  τj)を目標として与える。
In the first step, the process limiting condition (t
, d, ρ3, etc.) and satisfactory protection characteristics (V@, CP, τj).

次いで第2ステツプにおいて、入力パッド容量C□6.
ポリシリコン抵抗容量Crotyst、 Al配線容量
Cat、ダイオード容量CI!。−1を考慮して入力容
量ΣC(Cpsm+ Cratysz+ cAL+ C
e5oa*)を見積もる。次に第3ステツプにおいては
、前記入力遅延時間τiの範囲と前記入力容量ΣCに基
づいて、τ□≧ΣC−R,からポリシリコン抵抗の抵抗
値R1を決定する0次に第4ステツプにおいて、式(8
)、 (9)、 0@を用いて、T、−f(V。、W。
Next, in the second step, the input pad capacitance C□6.
Polysilicon resistance capacitance Crotyst, Al wiring capacitance Cat, diode capacitance CI! . -1, the input capacitance ΣC (Cpsm+ Cratysz+ cAL+ C
e5oa*). Next, in the third step, the resistance value R1 of the polysilicon resistor is determined from τ□≧ΣC-R, based on the range of the input delay time τi and the input capacitance ΣC. Formula (8
), (9), using 0@, T, -f(V., W.

R?)の相関より、ポリシリコン抵抗の長さしと幅Wを
決定する。
R? ), determine the length and width W of the polysilicon resistor.

次に第5ステツプにおいて、ポリシリコン抵抗を経た入
力最大電圧■、を内部回路の破壊電圧以下になるように
して、ダイオード寄生抵抗値R8及びダイオード電圧v
tlを決定する。ダイオード電圧V、は順方向において
順方向電圧、逆方向ではブレークダウン電圧となる。
Next, in the fifth step, the maximum input voltage (2) passing through the polysilicon resistor is set to be below the breakdown voltage of the internal circuit, and the diode parasitic resistance value R8 and the diode voltage v
Determine tl. The diode voltage V becomes a forward voltage in the forward direction and a breakdown voltage in the reverse direction.

次に第6ステツプにおいて、式(11)及び第3図に示
した一unsch−Bellの解析図を用いて、ダイオ
ードの面積A静を決定する。次いで第7ステツプで上記
各ステップにより得られた最終的な回路定数に基づいて
入力遅延時間τ8を再計算する。この再計算結果が、最
初に設定した目標値と一致しておれば、得られた各回路
定数を設計値として採用する。上記入力遅延時間τ、の
再計算結果が設定目標値に達していない場合は、第2ス
テツプに戻り、再度順次各ステップの動作を繰り返して
適切な設計値を求める。
Next, in the sixth step, the area A of the diode is determined using equation (11) and the unsch-Bell analysis diagram shown in FIG. Next, in a seventh step, the input delay time τ8 is recalculated based on the final circuit constants obtained in each of the above steps. If the recalculation result matches the initially set target value, each obtained circuit constant is adopted as the design value. If the result of the recalculation of the input delay time τ does not reach the set target value, the process returns to the second step and repeats each step again to obtain an appropriate design value.

次に本発明に係る入力保護回路の設計手法を用いて作成
した具体的な入力保護回路の構成例を第5図に示す、こ
の構成例では、保護特性の目標値として、EIAJ法に
おける耐電圧v0を300v以上、入力遅延時間τ五を
0.5ns以下とし、またプロセスの制限条件として、
P型又はN型不純物をドープして形成するポリシリコン
抵抗2の面抵抗ρ、を40Ω/□、SiOx膜の厚さd
を800Ωm 。
Next, FIG. 5 shows a specific configuration example of an input protection circuit created using the input protection circuit design method according to the present invention. v0 is 300v or more, input delay time τ5 is 0.5ns or less, and as a process limiting condition,
The sheet resistance ρ of the polysilicon resistor 2 doped with P-type or N-type impurities is 40Ω/□, and the thickness d of the SiOx film is
800Ωm.

ポリシリコン抵抗の厚さtを500Ωm、  C、を2
00PFとした。なお入力パッドは100 X 100
 u mのものとした。
The thickness t of the polysilicon resistor is 500Ωm, and C is 2
It was set to 00PF. The input pad is 100 x 100
um.

このように目標を設定した場合、τt<0.5nsを満
たすためには、RP−500Ωに決定される。またT、
 <1000°Cの条件で式(8)、 (9)、 0I
IDを解くと、AP >11250μm”となり、W−
30,cr m、  L −375μmとなる。
When the target is set in this way, in order to satisfy τt<0.5ns, RP-500Ω is determined. Also T,
Equations (8), (9), 0I under the condition of <1000°C
Solving the ID, AP > 11250 μm”, W-
30, cr m, L -375 μm.

一方クランプ回路を構成するダイオードに関しては、内
部回路の破壊電圧を20V以下とすると、寄生抵抗の抵
抗値R5−30Ωとなり、またダイオード面積A、はW
unsch−Bellのモデル図からAll〉276μ
m1となり、したがって16μm×16μmとすれば十
分であることがわかる。
On the other hand, regarding the diode constituting the clamp circuit, if the breakdown voltage of the internal circuit is 20V or less, the resistance value of the parasitic resistance is R5-30Ω, and the diode area A is W
From the unsch-Bell model diagram, All〉276μ
Therefore, it can be seen that 16 μm×16 μm is sufficient.

なお上記構成例では、プロセス制限条件として上記のよ
うに設定したものを示したが、プロセス制限条件として
は、ポリシリコン抵抗の面抵抗ρ3を40〜100Ω/
□、ポリシリコン抵抗の膜厚tを0.35〜0.5 t
t m、 SI Oz膜の厚さdを0.8〜1.0μm
の範囲で設定することができ、この場合には、ポリシリ
コン抵抗の抵抗値R1は400Ω〜IKΩに、幅Wは1
5〜30μmの範囲に設定される。
In the above configuration example, the process limit conditions are set as described above, but the process limit conditions include setting the sheet resistance ρ3 of the polysilicon resistor to 40 to 100 Ω/
□, the film thickness t of the polysilicon resistor is 0.35 to 0.5 t
t m, the thickness d of the SI Oz film is 0.8 to 1.0 μm
In this case, the resistance value R1 of the polysilicon resistor is 400Ω to IKΩ, and the width W is 1KΩ.
It is set in the range of 5 to 30 μm.

またダイオードにおいては、Wunsch−Bellの
モデル図から10倍のマージンを見込んで設定したもの
を示したが、現在の製品では10倍までマージンを考慮
する必要はなくなってきており、その半分程度でよく、
したがってダイオード面積A、は10×10μm以上あ
れば十分である。
In addition, for diodes, we have shown settings based on the Wunsch-Bell model with a 10x margin in mind, but with current products it is no longer necessary to consider margins up to 10x, and about half of that is sufficient. ,
Therefore, it is sufficient that the diode area A is 10×10 μm or more.

本発明による設計理論には勿論いくつかの近似手法を含
んでいる。特にポリシリコンの温度過渡現象を伴ったポ
リシリコン抵抗や、ポリシリコンの熱特性等は無視して
いるし、ポリシリコン表面から他のレジン等を通した放
熱等も無視している。
The design theory according to the present invention, of course, includes several approximations. In particular, polysilicon resistance accompanied by temperature transient phenomena of polysilicon, thermal characteristics of polysilicon, etc. are ignored, and heat dissipation from the polysilicon surface through other resins etc. is also ignored.

このため本発明によれば実際には、若干保護特性が強く
表れる設計になるものと考えられる。
Therefore, according to the present invention, it is considered that the design actually has a slightly stronger protective property.

そこでこの点を確認するため実際の入力保護回路を試作
してパラメータを決定してみた。その結果、本発明の設
計理論から導出された設計値の1/2としても満足する
保護特性が得られることが判明した。この場合は、ポリ
シリコン抵抗の幅Wは15μm以上であればよく、長さ
しはW=15とし“た場合、L−15XR,/ρ3で決
定される。なおこの場合においてはポリシリコン抵抗の
面積が小さくなる分だけ入力遅延時間τ盈が小さくなり
、改善される。
Therefore, in order to confirm this point, we prototyped an actual input protection circuit and determined the parameters. As a result, it has been found that satisfactory protection characteristics can be obtained even at half the design value derived from the design theory of the present invention. In this case, the width W of the polysilicon resistor only needs to be 15 μm or more, and the length is determined by L-15XR, /ρ3 when W=15. The input delay time τ becomes smaller and improved by the smaller area.

第6図は、具体的な他の構成例を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing another specific example of the configuration.

この構成例は、保護ダイオードとして2個のpnダイオ
ードDr、DHを用いた例である。保護ダイオードDr
、DHの寄生直列抵抗R,は30Ωに設定される。レイ
アウト的な注意事項としてラフチアツブ防止のため、P
型ダイオードD、はその周囲をP型GND層のカラー、
又はGND電極引き上げ層で囲む必要がある。
This configuration example uses two pn diodes Dr and DH as protection diodes. Protection diode Dr
, DH's parasitic series resistance R, is set to 30Ω. As a layout precaution, P
The type diode D is surrounded by a P-type GND layer collar,
Alternatively, it is necessary to surround it with a GND electrode pulling layer.

第7図は、更に他の構成例を示す図で、この構成例は、
入力遅延時間特性を低下させても入力保護機能を完全に
したい場合の構成で、1段目の保護回路の後段に第2段
目の保護回路21を配置したもので、この場合の回路の
パラメータは本発明による設計手法で導出され、更に信
頼性の高い入力保護回路が得られる。
FIG. 7 is a diagram showing still another configuration example, and this configuration example is as follows:
This is a configuration in which the input protection function is desired to be completed even if the input delay time characteristics are degraded, and the second stage protection circuit 21 is placed after the first stage protection circuit.The circuit parameters in this case are as follows. is derived by the design method according to the present invention, and a more reliable input protection circuit can be obtained.

以上述べたように、本発明による設計手法を用い目標と
すべき保護特性τ正、■。、C7等を設定することによ
り、各回路定数が導出されるので、τ1.V、、CP等
により各回路定数を自由に設定することが可能となる。
As described above, the protection characteristics τ positive and ■ that should be targeted using the design method according to the present invention. , C7, etc., each circuit constant is derived, so τ1. It is possible to freely set each circuit constant using V, CP, etc.

したがって各入力ビン毎に必要なτ五、■。を設定する
ことにより各ビン毎に最適な保護回路を構成した半導体
装Iが得られる。
Therefore, τ5,■ is required for each input bin. By setting , a semiconductor device I can be obtained in which an optimal protection circuit is configured for each bin.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明によれば、MOS、バイポーラ、バイポーラ・C
MOSデバイス等の半導体装置における入力保護回路を
、必要とする保護電圧、入力遅延時間等の保護特性と、
構成するデバイス特性、プロセスパラメータ等のプロセ
ス制限条件を考慮することにより適切に設計することが
でき、また各入力ビン毎に必要な耐圧及び遅延特性をも
たせた入力保護回路を自由に設計することが可能となる
According to the invention, MOS, bipolar, bipolar C
Input protection circuits in semiconductor devices such as MOS devices have the necessary protection characteristics such as protection voltage and input delay time,
Appropriate design can be achieved by considering process limitations such as constituent device characteristics and process parameters, and input protection circuits with the necessary breakdown voltage and delay characteristics can be freely designed for each input bin. It becomes possible.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図^は、本発明を適用する一般的な入力保護回路を
示す図、第1図田)は、その等価回路を示す図、第1図
(C)は、ポリシリコン抵抗部分の構造を示す図、第2
図^は、ポリシリコン抵抗の抵抗値R,を変化させたと
きの時間とポリシリコン抵抗の温度との関係を示す図、
第2図(B)は、ポリシリコン抵抗の幅に対する最大到
達温度の関係を示す図、第3図は、ダイオードの接合面
の1/lOが融点に達する電力密度と時間との関係を示
す図、第4図は、本発明に係る入力保護回路の設計手法
を示すフローチャート、第5図は、本発明の具体的な実
施例を示す図、第6図は、他の実施例を示す図、第7図
は、更に他の実施例を示す図である。 特許出願人 オリンパス光学工業株式会社第2図 (A) [ns] 第6図 第7図
Figure 1^ is a diagram showing a general input protection circuit to which the present invention is applied, Figure 1(C) is a diagram showing its equivalent circuit, and Figure 1(C) is a diagram showing the structure of the polysilicon resistor part. Figure shown, second
Figure ^ is a diagram showing the relationship between time and temperature of the polysilicon resistor when the resistance value R of the polysilicon resistor is changed.
Figure 2 (B) is a diagram showing the relationship between the maximum temperature reached and the width of the polysilicon resistor, and Figure 3 is a diagram showing the relationship between power density and time for 1/1O of the junction surface of the diode to reach the melting point. , FIG. 4 is a flowchart showing a design method for an input protection circuit according to the present invention, FIG. 5 is a diagram showing a specific embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a diagram showing another embodiment. FIG. 7 is a diagram showing still another embodiment. Patent applicant: Olympus Optical Industry Co., Ltd. Figure 2 (A) [ns] Figure 6 Figure 7

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、入力パッドに一端を接続した薄膜抵抗と該薄膜抵抗
の他端に接続したダイオードからなるクランプ回路とを
有する半導体装置の入力保護回路の設計方法において、
必要とする保護電圧、入力遅延時間等の保護特性と、薄
膜抵抗のプロセス制限条件を設定するステップと、入力
保護回路全体の入力容量と入力遅延時間とに基づいて薄
膜抵抗の抵抗値を設定するステップと、薄膜抵抗に印加
される熱エネルギーの過渡解析に基づいて熱伝導方程式
を解くことによって得られる薄膜抵抗の温度上昇特性に
基づいて薄膜抵抗の面積、幅及び長さを設定するステッ
プと、保護すべき内部回路の破壊電圧に基づいてダイオ
ードの寄生直列抵抗値及びダイオード電圧を設定するス
テップと、ダイオードに印加される電力密度と故障温度
に基づいてダイオード面積を設定するステップとからな
ることを特徴とする半導体装置の入力保護回路の設計方
法。 2、入力パッド毎に入力保護回路の回路定数を個別に設
定することを特徴とする請求項1記載の半導体装置の入
力保護回路の設計方法。 3、入力パッドの一端に接続した薄膜抵抗と該薄膜抵抗
の他端に接続したダイオードからなるクランプ回路とを
有する半導体装置の入力保護回路において、膜厚が0.
8〜1.0μmの下地酸化膜上に形成した膜厚が0.3
5〜0.5μmで面抵抗が30〜100Ω/□のP型又
はN型不純物をドープしたポリシリコン抵抗を用い、前
記請求項1記載の半導体装置の入力保護回路の設計方法
に基づき、抵抗値を400Ω〜1KΩ、幅を15〜30
μm、面積を10000μm^2以上とした薄膜抵抗を
備えた半導体装置の入力保護回路。 4、電源の高電位側との間に30Ω以下の寄生直列抵抗
を有しダイオード面積を10×10μm以上としたP型
ダイオードを接続し、電源の低電位側との間に30Ω以
下の寄生直列抵抗を有しダイオード面積を10×10μ
m以上としたN型ダイオードを接続して、入力から見た
インピーダンスの対称性をもたせたクランプ回路を備え
ていることを特徴とする請求項3記載の半導体装置の入
力保護回路。
[Claims] 1. A method for designing an input protection circuit for a semiconductor device having a thin film resistor having one end connected to an input pad and a clamp circuit comprising a diode connected to the other end of the thin film resistor,
A step of setting protection characteristics such as required protection voltage and input delay time, and process limit conditions for the thin film resistor, and setting the resistance value of the thin film resistor based on the input capacitance and input delay time of the entire input protection circuit. and setting the area, width, and length of the thin film resistor based on the temperature rise characteristics of the thin film resistor obtained by solving a heat conduction equation based on a transient analysis of thermal energy applied to the thin film resistor; The method comprises the steps of setting the parasitic series resistance value and diode voltage of the diode based on the breakdown voltage of the internal circuit to be protected, and setting the diode area based on the power density applied to the diode and the failure temperature. A method for designing an input protection circuit for a semiconductor device. 2. The method of designing an input protection circuit for a semiconductor device according to claim 1, wherein circuit constants of the input protection circuit are individually set for each input pad. 3. In an input protection circuit for a semiconductor device having a thin film resistor connected to one end of an input pad and a clamp circuit consisting of a diode connected to the other end of the thin film resistor, the film thickness is 0.
The thickness of the film formed on the base oxide film of 8 to 1.0 μm is 0.3 μm.
Using a polysilicon resistor doped with a P-type or N-type impurity having a sheet resistance of 5 to 0.5 μm and a sheet resistance of 30 to 100 Ω/□, the resistance value is determined based on the method for designing an input protection circuit for a semiconductor device according to claim 1. 400Ω~1KΩ, width 15~30
An input protection circuit for semiconductor devices equipped with a thin film resistor with an area of 10,000 μm^2 or more. 4. Connect a P-type diode with a parasitic series resistance of 30Ω or less and a diode area of 10 x 10 μm or more between the high potential side of the power supply, and a parasitic series resistance of 30Ω or less between the low potential side of the power supply. It has a resistor and the diode area is 10×10μ
4. The input protection circuit for a semiconductor device according to claim 3, further comprising a clamp circuit connected with an N-type diode having a diameter of m or more to provide impedance symmetry as seen from the input.
JP3369789A 1989-02-15 1989-02-15 Method of designing input protective circuit for semiconductor device and input protective circuit Pending JPH02214150A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP3369789A JPH02214150A (en) 1989-02-15 1989-02-15 Method of designing input protective circuit for semiconductor device and input protective circuit

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP3369789A JPH02214150A (en) 1989-02-15 1989-02-15 Method of designing input protective circuit for semiconductor device and input protective circuit

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH02214150A true JPH02214150A (en) 1990-08-27

Family

ID=12393610

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP3369789A Pending JPH02214150A (en) 1989-02-15 1989-02-15 Method of designing input protective circuit for semiconductor device and input protective circuit

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH02214150A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7394636B2 (en) 2005-05-25 2008-07-01 International Business Machines Corporation Slave mode thermal control with throttling and shutdown

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7394636B2 (en) 2005-05-25 2008-07-01 International Business Machines Corporation Slave mode thermal control with throttling and shutdown
US7539000B2 (en) 2005-05-25 2009-05-26 International Business Machines Corporation Slave mode thermal control with throttling and shutdown
US7545617B2 (en) 2005-05-25 2009-06-09 International Business Machines Corporation Slave mode thermal control with throttling and shutdown

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2810874B2 (en) Semiconductor device
JP3275095B2 (en) Transient protection opening of integrated circuits
JP3009614B2 (en) Electrostatic discharge protection circuit for integrated circuits, electrostatic discharge protection device, and method for protecting against electrostatic discharge
US7667243B2 (en) Local ESD protection for low-capicitance applications
KR100835282B1 (en) Electrostatic discharge protection device
US5293057A (en) Electrostatic discharge protection circuit for semiconductor device
JPH0855958A (en) Electrostatic breakdown protective circuit
US4811155A (en) Protection circuit for a semiconductor integrated circuit having bipolar transistors
US11088542B1 (en) System and method for temperature compensated ESD protection
JP2007235151A (en) Protection structure for integrated circuit
US7729096B2 (en) Semiconductor integrated circuit
TW200425460A (en) Electrostatic discharge circuit and method therefor
TWI281742B (en) Differential input output device including electro static discharge (ESD) protection circuit
JPH02214150A (en) Method of designing input protective circuit for semiconductor device and input protective circuit
JP3019760B2 (en) Semiconductor integrated circuit device
TW577166B (en) BiCMOS electrostatic discharge power clamp
TWI291224B (en) Semiconductor layout structure for ESD production circuits
Wei et al. Investigation of different conduction states on the performance of NMOS-based power clamp ESD device
JP3531808B2 (en) Protection circuit and semiconductor device
TW463442B (en) Electrostatic discharge protection circuit having common discharge line
Van Dalen et al. Punch-through diodes as replacement for low-voltage Zener diodes in ESD protection circuits
JPH02214151A (en) Input protective circuit of semiconductor device
JPH03184369A (en) Semiconductor device
JP2885758B2 (en) Semiconductor device
JPH01278771A (en) Input protective device of semiconductor integrated circuit